深埋隧洞巖爆微震監測預警技術

馬天輝， 劉 飛， 唐春安

（大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024）

0 引 言

近年來，我國多個大型水利水電工程投入建設，以“長、大、深、群”為特點的地下工程如隧洞和硐室進入施工。深部巖土工程地質災害日益増多，巖爆問題尤為突出，巖爆不僅影響施工進度，而且嚴重威脅工程設備與施工人員的安全，已成為制約深埋隧洞安全、高效施工的瓶頸問題。2009 年11 月28 日雅礱江錦屏二級水電站排水洞在施工過程中突發極強巖爆，隧洞支護系統嚴重毀損導致大面積塌方，塌方總量約400 m3，TBM設備被完全掩埋，并造成了7 人遇難，1 人受傷的災難性后果［1］。

巖爆是高地應力地下工程開挖卸荷過程中，存儲在硬巖中的彈性應變能突然釋放致使巖體失穩的動力現象。國內外學者對巖爆機理和預警的探索主要集中于理論研究、實驗室試驗、數值模擬和現場試驗。理論研究方面，Hoek等［2］提出了經驗性強度破壞準則，認為巖爆是圍巖的集中應力達到巖體強度極限而產生的突然破壞；剛度理論源于剛性壓力機，Cook［3］使用銅管加大試驗機剛度，發現若試驗機剛度足夠大，巖石在達到峰值強度后發生穩定破壞，若試驗機剛度低于巖石后期變形剛度，則發生不穩定破壞；Cook 等［4-5］提出的能量理論認為隨著采場范圍擴大，圍巖中能量不斷累積、釋放和轉移，若巖體破裂釋放的能量高于其破壞過程中所需能量，則出現巖爆；謝和平等［6］提出巖爆的分形幾何理論，微震事件分形維數降低是巖爆發生的前兆。在實驗室試驗研究方面，Pettit等［7］通過含平行裂紋的砂巖壓縮實驗，研究了巖體結構破壞前的聲發射特征；何滿潮等［8］開發了沖擊巖爆試驗系統，獲得了巖爆全過程三向應力-應變曲線和圍巖剝離、彈射等特征現象；宮鳳強等［9］選用14 種巖石進行單軸壓縮一次加卸載試驗，發現儲能系數為定值的線性儲能規律，進而判定巖石的巖爆傾向性。在數值模擬方面，朱萬成等［10］采用RFPA 程序模擬了動態壓縮應力波對巷道失穩的擾動效應；徐士良等［11］通過顆粒流法模擬了巖爆發生的過程，發現巖爆是由細觀損傷發展到宏觀破壞的漸進發展過程；葛德治等［12］使用DDA 方法對巖爆前兆信息進行數值模擬，提出了正規化動能指標來量化巖體破裂速率。現場試驗如電磁輻射法［13］、鉆屑法［14］、聲發射法［15］、微重力法［16］和超前地質預報法［17］等在巖爆監測預警方面取得一些成果，但沒有一種方法被證明是可靠的。

微震監測作為一種巖體微破裂監測地球物理方法多應用于煤礦沖擊礦壓監測，近年來開始應用于水電工程。微震監測能捕捉巖石微破裂的時間、位置和震級，定量分析微震事件震源參數為巖爆預測提供重要依據。Tang等［18］引進加拿大ESG 微震監測設備，首次將微震監測技術應用于錦屏二級水電站深埋隧洞的巖爆監測預警。馬天輝等［19］對錦屏二級水電站巖爆高發段進行微震監測預警，揭示了微震的時空演化與巖爆之間的關系。文獻［20-21］中使用微震監測研究了錦屏二級水電站深埋隧洞的巖爆發生規律，將巖爆劃分成即時型和時滯型。李桐等［22］使用微震監測研究了川藏鐵路拉林段控制性工程巴玉隧道巖爆位置偏轉規律。

1 微震監測原理及系統構建

1.1 微震監測原理

巖石是一種非連續、各向異性的天然非均質材料，巖體更是包含大尺度的地質缺陷，如斷層、層理和褶皺等。開挖卸荷擾動導致巖體的應力重新分布，從而在高應力區會產生微破裂（微震事件），集聚在巖體內的彈性能以地震波的形式向外釋放，并可以被周圍以一定的網度布置傳感器陣列接收（見圖1），通過配套軟件可以計算微破裂發生的時間、位置和震級。假設巖體中微破裂坐標為（x，y，z），發生時刻為t，第i個傳感器坐標為（xi，yi，zi），傳感器的觸發時刻為ti，地震波速度為v，則震源和第i個傳感器間的走時方程為：

圖1 微震監測原理示意圖

當微震信號被至少4 個傳感器接收時，可通過式（1）迭代求解震源的位置及發生時刻。每個微震事件都包含豐富的反映巖體應力應變狀態的信息，如能量、震級、震源半徑、視應力和視體積等震源參數。通過分析微震的集聚規律能夠判斷微破裂分布的密集程度和微裂隙的產生、擴展和貫通成大尺度破裂的發展規律。震源參數的變化能夠反演破裂尺度和震源附近巖體應力應變狀態的變化，進而對巖體發生巖爆的位置和強度進行推斷預測。

1.2 隧洞微震監測系統構建

加拿大Engineering Seismology Group（簡稱ESG）公司生產的微震監測設備主要包括加速度傳感器、Paladin數字信號采集系統和Hyperion 數字信號處理系統。隧道微震監測拓撲圖如圖2 所示。6 個加速度傳感器對隧洞掌子面的開挖擾動進行24 h 連續監測，傳感器將接收到微震信號轉換成模擬信號，經電纜線傳輸至Paladin，再由24 位A/D 轉換器轉換成數字信號，為保證長距離傳輸信號的完整性，采用光纖將信號傳輸至Hyperion。被Hyperion保存的微震事件可通過網絡共享到項目部或大連數據分析中心。傳感器沿隧洞軸向間隔為30 ～50 m，為保證傳感器的測試精度和傳輸線路不被掌子面爆破剝落飛石毀壞，傳感器陣列距掌子面距離約為50 m，為了保證對掌子面開挖卸荷造成的圍巖微破裂的連續監測，傳感器陣列隨掌子面移動30 ～50 m向前挪動1 次。微震事件包含完整的波形和波譜分析圖，通過ESG微震系統配套軟件可確定微震事件的發生時間、空間和強度等震源參數信息，通過深度分析微震事件時空分布規律和震源參數信息的演化規律可反演巖體應力狀態的變化，進而評估巖體穩定性狀態，并將最終結果發送總工程師。

圖2 微震監測系統拓撲圖

圖3 各種聲音信號波形比較

地下工程環境復雜，施工工序繁多導致微震監測系統記錄了大量的背景噪聲和其他無用震動信號，如爆破、電流干擾、汽車鳴笛和TBM 掘進等。若將噪聲信號處理成有效微破裂信號會嚴重影響微震監測結果，因此需要對噪聲信號進行排除以確保巖爆預測的可靠性。

圖3 為錦屏二級水電站深埋隧洞常見的震動信號。圖3（a）為巖石微破裂信號，縱波（P波）在巖石中的傳播速度大于橫波（S 波）的傳播速度，因此P 波初至時間先于S波，此時微破裂波形的振幅較小，當S波被傳感器接收時，由于P波和S 波的疊加作用導致波形的振幅明顯增大至0.48 V，微破裂信號尾波發育，持續時間較長。圖3（b）為電流干擾信號，該信號為較規則周期持續性信號，頻率為50 Hz左右，與交流電頻率相近，信號振幅較小為-13 mV。圖3（c）為汽車鳴笛信號，該信號沿時間軸呈條帶狀分布，波形振幅逐漸增大到0.99 V 后迅速衰減。圖3（d）為TBM 掘進波形，該信號沒有明顯規律，P波和S 波到達時間難以確定，振幅為-0.35 V。圖3（e）為爆破波形，持續時間長（波形記錄時間系統設定為200 ms），強度高，最大振幅為6.4 V，衰減小。

1.3 微震監測預報巖爆有效性分析

礦山微震監測系統通常將傳感器布置于不同高程的礦體之中，傳感器形成立體陣列以包絡目標監測區域，震源位置被傳感器陣列包圍，震源定位位置為以傳感器為球心的多個球的交點，當存在認為定位誤差時，震源定位位置偏移到真正震源位置附近，因此立體傳感器陣列有利于提高微震事件定位精度。相較于礦山工程，隧洞可以簡化為線狀工程，傳感器布置于隧洞的邊墻上，震源位置一般在傳感器陣列前方幾十m 位置，震源定位位置為以傳感器為球心多個球的切點，當存在定位誤差時，震源定位位置在隧道高度方向偏差很大，如圖4 所示，很難保確保微震事件的3 個方向的定位精度。雖然微震事件可能因定位誤差在潛在破壞區域上下集簇，難以判定巖爆潛在準確位置，但根據微震事件集簇特征仍能確定巖爆沿開挖方向的里程，對潛在巖爆發生里程附近進行加固或其他處理措施。因此隧道微震監測系統能夠有效地對巖爆沿開挖方向的潛在位置進行預測預報。

圖4 震源定位誤差分析［23］

2 巖爆監測預報的工程實踐

2.1 錦屏二級水電站工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州雅礱江干流錦屏大河彎上，利用雅礱江下游河段150 km長大河彎的天然落差，通過長約16.67 km 的引水隧洞，截彎取直后獲得約310 m 水頭［23-24］。水電站總裝機容量4.800 GW，工程樞紐主要包括攔河閘、引水系統和地下廠房部分。引水系統由平行的2 條輔助洞和4條引水隧洞和1 條施工排水洞組成，如圖5 所示，輔助洞、引水洞和排水洞分別長約17.50、16.67 和16.73 km。長大隧洞群穿越錦屏山主峰山體，圍巖以大理巖為主，埋深1.5 ～2.525 km，錦屏二級水電站工程實測最大主應力46 MPa，回歸分析最大主應力70 MPa。

圖5 錦屏二級水電站引水隧洞布置圖

2.2 排水洞極強巖爆過程微震集聚特征

巖爆是瞬間發生的巖體破壞過程，完整監測巖爆過程很難實現，通過微震監測系統較為完整地記錄了施工排水洞2009 年11 月28 日極強巖爆過程，圖6 為此次極強巖爆過程中微震事件密度云圖變化規律，其中黃色和紅色區域事件密度較高，為危險和非常危險區域。由圖6（c）可知，在巖爆前14 d 微震事件在巖爆核區異常集聚，表明該范圍微破裂數量多且分布較為集中，圍巖穩定性差。之后事件密度云圖中紅色區域逐漸擴大，巖爆2 d前，巖爆核區事件密度云圖紅色區域幾乎貫通，見圖6（e），表明該處大量微破裂可能已經擴展成大尺度破裂，圍巖損傷嚴重，巖爆風險極高。2009 年11 月28 日，在巖爆核區發生了一次更極強巖爆并引發大范圍跨落。此次極強巖爆的爆坑深度達9 m，有明顯的結構面痕跡，見圖7。

圖6 極強巖爆前22天的微震累積事件密度云圖

圖7 11.28極強巖爆照片

圖8 為此次極強巖爆前2 min的微震事件的分布特征圖，從00：42：43 記錄到第1 個微震數據開始，至00：44：42 的1 min 59 s內，微震監測系統共計記錄到44 個微震事件，且大多數微震事件呈條帶狀分布，見圖8（f），該微震事件分布帶與巖爆揭露的巖體結構面走向吻合，表明結構面影響區的較高集中應力導致隧道圍巖的產生大量微破裂，隨著微破裂的擴展、匯聚成大尺度破裂，圍巖瞬間失穩巖爆發生。

圖8 巖爆過程中微震事件集聚特征

3 結 論

巖爆是制約深埋隧洞安全、高效施工的主要工程地質災害，傳統的監測方式如位移監測和應力監測難以捕捉高應力硬巖突然失穩的前兆信息，嘗試采用微震監測技術研究隧洞微破裂的空間分布和集聚特征，對巖體的損傷和穩定性進行評估，進而對巖爆潛在位置和強度進行預警，得到幾點結論如下：

（1）隧洞可移動式微震監測系統能夠對掌子面圍巖微破裂連續監測，不同于礦山的立體傳感器陣列，隧洞微震監測系統的線狀傳感器陣列難以保證微震事件在隧洞高度方向的定位精度，但微震事件沿開挖方向的定位精度較高，從而較準確的確定巖爆的里程范圍。

（2）分析微震事件的分布和集聚特征，研究了錦屏二級水電站排水洞2009 年11 月28 日極強巖爆的孕育過程。巖爆發生前14 d，微震事件在巖爆核區集聚，之后巖爆核區的事件密度持續增大，事件密度云圖紅色區域逐漸擴大。最終在高密度微震事件匯聚區發生強烈巖爆。

（3）巖爆發生前2 min，微震監測系統累積監測到44 個微震事件，且微震事件分布與現場揭露結構面走向吻合，開挖卸荷導致結構面影響區產生大量微破裂，微破裂擴展、集聚成大尺度破裂導致圍巖的突然失穩，發生強烈巖爆。微震集聚區的事件密度持續增大和短期內事件數的快速增長可作為巖爆發生的前兆信息。